低渗透岩石三轴压缩过程中的渗透性研究

 采用岩石全自动三轴伺服仪,对低渗透花岗岩进行考虑渗透水压作用的三轴渗流–应力耦合试验。基于试验结果,研究花岗岩在不同围压和渗压下的渗透特性,分析岩石应力、应变变化过程中渗透率随围压、渗压和体积应变的变化规律。试验结果表明：岩石的应力–应变关系具有典型的脆性特征,渗压相同围压不同时,岩石强度随围压增大而增加;围压相同渗压不同时,较低的渗压对低渗透岩石强度影响不明显。岩样体积应变经过压密和扩展2个阶段,最大体积压缩应变随着围压的增加而增加,而岩样渗透率最小值并未出现在最大压密处,而是出现在体积应变拐点前,约在最大压密体积应变的95%处,并给出渗透率与体积应变的关系式。     

盐岩的渗透特性研究

针对盐岩的低渗透特性,提出了在渗透率低于10-22m2和高于10-22m2两种情况所采用的计算理论,即可以利用岩石扩散与对流-扩散理论和达西理论来研究其渗透特性,并给出了试验室测试盐岩渗透率的计算公式。通过盐岩的渗透试验:①研究了损伤对盐岩渗透率的影响,并指出当盐岩所处的应力状态没有超出盐岩的损伤临界值时,盐岩的渗透率基本保持其原始渗透率,当盐岩发生损伤后,其渗透率明显增加;②同时也研究了围压对盐岩渗透率的影响。结果表明,在其它条件相同的情况下,作用在盐岩上的围压越高,盐岩的渗透率越低,并给出了围压与渗透率的拟合关系式。     

盐岩三轴蠕变与损伤恢复变形特征研究

地下盐岩储气库建设在我国能源储备战略中具有重要的地位,盐岩蠕变特性对地下盐岩储气库长期安全运行具有重要意义。为研究长期荷载作用下盐岩蠕变变形与损伤恢复特征,进行了不同围压、定偏应力的三轴蠕变及损伤恢复试验,损伤恢复时长超过150 d。研究结果表明:(1)高偏应力作用下,盐岩试样出现了明显的蠕变变形,轴向变形在30~40 d达到7%,体积变形先压缩后发生扩容;(2)低偏应力作用下,盐岩轴向蠕变变形量较小,体积变形持续压缩并趋于稳定;盐岩体积应变增幅随围压增大而逐渐增大,损伤恢复阶段试验达到150 d时,围压10、15、20、25 MPa对应体积应变分别相对增大1.06%、1.31%、1.30%及1.42%,盐岩体积应变增幅与围压之间呈正线性相关;(3)根据盐岩损伤恢复过程中体积变化特征及盐岩体积变形速率曲线,将盐岩损伤恢复划分为损伤快速恢复与损伤缓慢恢复两个阶段;盐岩损伤恢复主要发生在损伤快速恢复阶段,该阶段的体积增幅均达到全恢复过程的80%以上。     

盐穴储气库围岩扩容损伤的围压卸载速率效应试验研究

盐穴储气库腔体内部压力在快速降低过程中,往往导致围岩的扩容损伤。本文通过恒轴压卸围压试验,研究了初始围压和卸载速率对盐岩卸载扩容损伤特性的影响。试验结果表明：在相同卸载速率下,初始围压越高,卸载段产生的扩容越大,与初始围压6 MPa相比,12,18 MPa时的体积应变均值分别增加7.1%和21.4%;较小的围压卸载速率对盐岩扩容有促进作用,当卸载速率从0.2 MPa/s降低到0.02,0.002,0.000 2 MPa/s时,体积应变均值分别增加60.2%,103.5%,282.1%;卸载过程中扩容越大,内部损伤越严重。围压卸载段变形模量随围压的卸载逐渐减小,且初始围压和卸载速率越大,变形模量减小幅度越大。在相同应力条件下,损伤变量和围压卸载段盐岩吸收的能量随初始围压的增加而线性增加,随卸载速率的增加呈指数型降低;卸载过程中吸收能量越多,内部损伤越严重。     

粗砂岩变形破坏过程中渗透性试验研究

利用三轴耦合试验机进行粗砂岩不同围压条件下的变形破坏过程渗透性试验,分析粗砂岩变形及破裂过程中渗透性的变化规律,研究围压对粗砂岩渗透性的影响,探讨试样变形过程中渗透系数与体积应变的关系。研究表明:粗砂岩三轴压缩变形过程中,渗透性变化的总体规律呈现出与偏应力–应变曲线相应的阶段性,即微裂隙压密阶段与弹性变形阶段,渗透性随偏应力增大呈略微降低;弹塑性变形阶段,随新生裂隙的扩展,渗透性先缓慢增大,而后急剧增大,峰值强度后达到极大值;残余流动阶段,产生的贯通性裂隙由于围压作用被压密而导致渗透性下降。在岩样变形破坏过程中,渗透性对环向应变的变化更为敏感。围压越大,粗砂岩渗透性变化曲线的峰值及峰后残余值越小,渗透系数–应变过程曲线越平缓。最后,基于多孔介质理论的质量守恒方程得到孔隙率与体积应变的关系式,采用Kozeny-Carman方程研究粗砂岩变形过程中渗透系数与体积应变的关系,计算结果显示,Kozeny-Carman方程在岩样以孔隙为主要渗流通道阶段适用性较好。     

渗透压–应力耦合作用下砂岩渗透率与变形关联性三轴试验研究

 为了探讨渗透压–应力耦合作用下岩石渗透率与变形的关联性,采用岩石伺服三轴试验系统,在不同围压和渗透压条件下,利用稳态法对砂岩全应力–应变过程进行渗透率试验研究。根据试样渗透率变化与其破坏过程的对应关系,分析全应力–应变过程中试样渗透率随其脆性、延性变化的特点及渗透率–轴向应变和渗透率–体积应变之间的关联性。试验结果表明：(1) 在渗透压–应力耦合作用下,试样初始渗透率、峰值强度随着围压与渗透压的改变而改变。(2) 在渗流场–应力场耦合作用下连续加载的全应力–应变过程中,渗透率先随着轴向应变的增大而逐渐减小,进入弹塑性阶段后,渗透率变化曲线随围压变化呈现增大、持平及减小3个不同趋势。其中,渗透率曲线持平的现象为三轴渗透试验研究中的新现象。(3) 围压较高时,若形成局部压缩带,则试样进入弹塑性阶段后,渗透率的变化趋势是由岩石微裂隙的萌生、扩展与岩石骨架颗粒压碎这2个主要因素共同决定的。(4) 岩石微裂隙的萌生、扩展对渗透率增大起积极作用,岩石骨架颗粒压碎形成的压缩带对渗透率增大起抑制作用。(5) 岩石进入塑性阶段后,随围压增大,渗透率由上升趋势转变为下降趋势的现象先于脆–延转换的临界状态发生。(6) 岩石的体积应变对渗透率有一定影响,在脆–延转换阶段存在体积应变增大而渗透率减小的现象,这需要其他能够更精确地测量体积应变变化的试验进一步验证。     

考虑流-固耦合的天然气盐岩储库渗流特性研究

根据我国油气储库多为层状盐岩的实际情况,基于流-固耦合分析理论,利用快速拉格朗日有限差分法对层状盐岩储库的渗流特性进行分析。研究了含夹层盐岩天然气储库流-固耦合效应,不同内压下的体积应变与围岩渗透率变化,围岩塑性区分布以及渗流量与渗透压力的变化规律。结果表明:渗透率与体积应变的关系可近似采用线性函数描述,体积应变增大时,盐岩内部空洞和裂隙扩大,使盐岩渗透率增大;在某个渗流压力(洞室内压)条件下,随着盐岩的流变变形,渗流量会趋于某一定值,渗流达到稳定状态。在天然气内压与围岩应力共同作用下,储库围岩塑性区扩展深度随着内压的增大而减小,研究结果对盐岩储气库的安全运行具有一定的指导作用。     

含夹层盐岩渗透特性及其细观结构特征

 由于盐岩具有极低渗透率,因此很多国家将盐岩作为能源和高放废物储存库的首选储库介质。选取湖北云应盐矿层状盐岩,对20个标准试样(f 25 mm×50 mm)进行渗透特性测试以及CT扫描试验。试验结果表明,盐岩的孔隙度普遍低于0.25%;且渗透率极低,为10－16～10－18 m2,从总体趋势上看,渗透率随着围压的增大而减小。进一步通过工业CT试验,揭示了盐岩极低渗透率在细观结构方面的原因。发现层状盐岩的细观结构极其致密,其中纯盐岩仅含少量微孔洞和微裂隙,而夹层几乎不存在缺陷,因此对气体渗透具有明显的屏蔽作用;且在围压和渗流作用下,盐岩因细观结构演化致使渗透性能发生较大改变,渗透率随围压的变化趋势与孔隙度变化趋势一致。     

不同卸荷路径对砂岩渗透性演化影响的试验研究

为了研究初始围压和卸荷速率对砂岩卸荷变形破坏过程中渗透性演化规律的影响,开展考虑不同初始围压(10,20,30 MPa)、不同卸荷速率(0.1,0.5,1.0,1.5 MPa/min)下的三轴卸荷渗流力学试验研究。研究结果表明:(1)砂岩卸荷破坏时表现为明显脆性特征,且随初始围压和卸荷速率的增大,砂岩侧向变形和体积扩容特性愈加明显。(2)砂岩卸荷破坏过程中渗透率演化规律与卸荷应力–应变关系密切相关,呈现阶段性变化特征,即弹性变形阶段渗透率增长缓慢;屈服变形阶段渗透率加速增长;达到卸荷峰值应力后,进入应力跌落阶段,此时渗透率急剧增长,并发生突跳现象;卸荷破坏后残余强度阶段,渗透率快速下降并趋于稳定。(3)不同初始围压和卸荷速率对砂岩卸荷变形破坏过程中渗透性演化影响明显,初始卸荷围压越高,卸荷破坏时的卸荷量越大,但卸荷量与初始围压比值越小;卸荷速率越大,砂岩卸荷破坏时产生的卸荷量越大,所处围压水平越低,渗透率峰值越高。研究成果可为深埋地下岩石工程围岩渗透性演化与安全评价提供参考。     

温度-应力耦合条件下膏岩渗透性试验研究

为研究深地环境下能源储库膏岩盖层气密性,利用基于四川大学MTS815岩石力学试验系统改进的THM多场耦合三轴渗流测试平台,国内首次展开不同温度、不同围压条件下膏岩加载变形破坏全过程气体渗透性试验。试验结果表明:(1)天然状态下膏岩的渗透率处于10-17～10-15 m2,属于致密低渗岩体介质。(2)相同温度下,随围压增大,膏岩破坏应力–应变曲线具有脆–延性转变特征,且膏岩峰值应力不断提高;相同围压下,随温度升高,膏岩表现出热损伤及热软化效应,峰值应力逐渐降低,塑性变形能力增强。(3)膏岩初始渗透率随围压增大而降低,呈指数型递减关系,5 MPa围压下膏岩初始渗透率为4.13×10-17 m2,15,25,35 MPa围压下初始渗透率分别降低37.23%,65.86%,75.79%。(4)不同温度–应力耦合条件下膏岩渗透性均表现出先降低后升高的演化规律,岩石整体渗透率水平随温度及围压的升高不断降低。     

云应盐矿盐岩蠕变特性试验研究

针对我国盐矿盐岩杂质多、泥岩夹层多的特点,通过对云应盐矿盐岩、含夹层盐岩两种不同盐岩试样进行不同围压、不同轴压下的蠕变试验,研究云应盐矿两种岩样的蠕变特性,通过试验数据建立其蠕变本构关系,并获得相应的蠕变参数。通过对两种岩样的蠕变参数比较发现,含夹层盐岩的稳态蠕变率对偏应力变化的的敏感性要略高于纯盐岩,而其对围压变化的敏感性要远低于纯盐岩。研究结论可用于盐岩体工程长期稳定性分析中。     

围压影响的盐岩压缩力学特性及非线性本构模型

为了更准确地描述盐岩的力学特性,对盐岩开展多组单轴、三轴压缩试验。根据试验结果,多组试验数据得到的莫尔包络线具有非线性特征,并且盐岩力学特征对围压有很强的相关性。单轴及低于5 MPa围压时盐岩应力应变关系曲线表现弹性、应变硬化、软化3个过程,而当高于5MPa围压时盐岩延性特征显著,应力应变曲线硬化阶段比例加大,扩容点前移,而软化过程有一定程度的减弱。基于Hoek-Brown准则的软化模型将应力应变曲线峰前阶段改进为弹性非线性弹性模型,得到一种新的非线性本构模型。结果表明这种非线性本构模型可以很好地吻合不同围压作用的盐岩应力应变曲线。     

不同渗透压力下盐岩的渗透率测试研究

地下盐腔被广泛应用于核废料地下处置、石油天然气地下储存和二氧化碳封存,由于盐岩的低渗透性,目前很难通过试验获得其渗透率。通过稳态法对3种不同成分盐岩进行渗透特性试验研究,获得盐岩的渗透参数,并对拟压力法和考虑克氏效应的2种渗透率计算方法的结果进行对比研究。结果表明：(1) 盐岩的渗透率与孔隙度极低,孔隙度为0.3%～3.0%,纯盐岩渗透为10－20 m2左右,而含杂质盐岩渗透率更低,为10－20～10－21 m2;(2) 对盐岩的气测渗透率进行测试,进气压力为1～5 MPa时,Klinkenberg 效应影响明显,当渗透力超过5 MPa后,岩体在渗透力作用下会产生损伤,渗透率升高;(3) 通过对比,考虑Klinkenberg效应的方法较拟压力法在盐岩渗透率计算中更为理想。     

两种有效应力下花岗岩和充填体渗透率变化规律研究

干热岩是地热资源的主要载体。干热岩体花岗岩受地质构造运动影响产生裂隙,熔融岩浆侵入到花岗岩裂隙中,形成含有充填体的花岗岩体。故采用压力脉冲法,以花岗岩母岩和充填体为研究对象,研究改变围压或孔隙压力两种路径下有效应力对花岗岩母岩和充填体渗透率的影响规律。研究表明:在孔隙压力一定情况下,随着围压增大,花岗岩母岩和充填体的渗透率都有一个快速大幅下降阶段和缓慢小幅降低的阶段;通过孔隙压力不变时卸载围压的路径减小有效应力,可以有效恢复花岗岩的渗透率。但通过围压不变时提高孔隙压力的路径减少有效应力达到恢复渗透率的目的时,存在一个“失效围压阈值”,当围压低于该阈值时,提高孔隙压力可以使渗透率得到有效恢复,高于该阈值,提高孔隙压力对渗透率不会有太大的提高;采用孔隙压力一定时降低围压和围压一定时(低于“失效围压阈值”)增大孔隙压力两种路径测试同一试样渗透率时,若两种路径下有效应力相同,则试样渗透率相差不大;通过波速对比和偏光镜图像对比分析了试样在试验前后的孔隙裂隙的压密和塑性变形,从宏观和微观角度证明了“失效围压阈值”存在的合理性。     

不同应力路径下花岗片麻岩渗透特性的试验研究

 采用全自动三轴伺服仪,对花岗片麻岩开展渗流应力耦合试验,研究常规三轴压缩和轴压循环加卸载2种应力路径下,渗透率与渗压、围压、有效围压、体积应变及应力路径等因素的关系。结果表明：(1) 在2种不同应力路径下,岩石渗透率演化规律有差异性和一致性,同种路径下变形各阶段渗透率随有效围压增大而减小,但渗透率曲线的形态保持不变;(2) 渗压和围压对渗透率的影响,通过对岩石变形过程中内部微裂纹和孔隙变化产生作用,有效应力系数发生改变,有效围压效应随之改变;(3) 循环加卸载试验中,卸载渗透率均明显大于相应加载渗透率,体积应变转折前,加载渗透率减小,卸载后渗透率增加,形成比较完整的渗透率回滞环,体积应变转折后,加载渗透率增大,卸载渗透率降低不能够完全恢复;(4) 体积应变较轴向应变更清楚和灵敏反映渗透率变化规律,可把体积转折应变或其对应应力作为岩石渗透率变化的一项指标。试验研究旨在为岩石工程渗流–应力耦合稳定性分析提供参考。     

盐岩温度与应力耦合损伤研究

盐岩应力与温度耦合损伤研究对处在深层盐岩的地下空间利用有重要意义。从微观统计的角度出发,通过岩石细观力学的分析、综合,修正前人的研究成果,从而建立温度–应力耦合下的盐岩损伤方程。为验证所提方程的有效性,进行不同围压和温度下的盐岩力学特性试验,分析围压和温度对其力学特性的影响,尤其是对损伤的影响。试验结果表明:围压可抑制损伤的发展,而温度的升高,则在一定的范围内造成损伤的加剧。根据试验结果进行参数拟合,验证所提出的损伤方程的有效性。     

路用土石混合料的剪切特性试验研究

路用土石混合料是一种不同于土和岩石的高度非均质材料。混合材料的变形和剪切强度参数主要受含石率、块石形状和土体性质的影响。通过现场取样,综合考虑三个因素的影响,开展室内大型直剪试验。研究结果表明:应力应变关系曲线表现出三个阶段;碎石与土组成的混合料抗剪强度大于同等混合比例的卵石与土组成的混合料;含石率为40%~60%时,混合料抗剪强度较好;粘土与块石的混合料含石率较低时,低围压下表现为剪胀,高围压下表现为剪缩,含石率较高时,低围压和高围压均表现为剪胀;砂土与块石的混合料在低围压和高围压下均表现为剪胀。为快速评测现场土石混合料的粘聚力和内摩擦角,本文还提出了一种实用、简便的估算方法。